《混凝土结构设计原理》实验报告

实验一  钢筋混凝土受弯构件正截面试验

　        　专业　12 级　1　班

姓名　      　学号　        　

二零一四年十月二十六号

仲恺农业工程学院城市建设学院

   （院、系）       专业      班   组  混凝土结构设计原理   课

学号  姓名   实验日期 2014年10月16日 教师评定           

1.实验目的：

①了解受弯构件正截面的承载力大小、挠度变化及裂缝出现和发展过程。

②观察了解受弯构件受力和变形过程的三个工作阶段及适筋梁的破坏特征。

③测定或计算受弯构件正截面的开裂荷载和极限承载力，验证正截面承载力计算方法。

2.实验设备：

试件特征

（1）根据试验要求，试验的混凝土强度等级为C30(fck=20.1N/mm2，ftk=2.01N/mm2，fc 14.3N/mm2

, Ec=3.0×104 N/mm2），纵向受力钢筋强度等级HRB335级（极限抗拉强度标准值为fyk 335N/mm2），箍筋与架立钢筋强度等级 HPB300级（屈服强度标准值为fy=270N/mm2）

（2）试件为b×h=200×435 mm2，纵向受力钢筋的混凝土净保护层为20mm。少筋、适筋、超筋的箍筋是Ф12@100，保证不发生斜截面破坏。

（3）梁的受压区配有两根Ф10的架立筋，通过箍筋与受力筋绑扎在一起，形成骨架，保证受力钢筋处在正确的位置

试验仪器设备：

（1）静力试验台座、反力架、支座与支墩       

（2）手动式液压千斤顶           

（3）20T荷重传感器              

（4）YD-21型动态电阻应变仪              

（5）X-Y函数记录仪              

（6）YJ-26型静态电阻应变仪及平衡箱              

（7）读数显微镜及放大镜            

（8）位移计（百分表）及磁性表座              

（9）电阻应变片、导线等

3.实验成果与分析，包括原始数据、实验结果数据与曲线、根据实验数据绘制曲线等。

实验简图

适筋破坏-配筋截面

加载：（注明开裂荷载值、纵向受拉钢筋达到设计强度fy时的荷载值、破坏荷载值）

加载：       =0.5KN    =95.6KN    =96.4KN

超筋破坏-配筋截面

加载：（注明开裂荷载值、纵向受拉钢筋达到设计强度fy时的荷载值、破坏荷载值）

加载：       =0.5KN        =135.1 KN

少筋破坏-配筋截面：

加载：（注明开裂荷载值、纵向受拉钢筋达到设计强度fy时的荷载值、破坏荷载值）

加载：      =0.4KN         =7.3KN

3.1 适筋破坏：

（1）计算的开裂弯矩、极限弯矩与模拟实验的数值对比，分析原因。

理论计算：

通过分析对比，实验数据跟理论数据存在着误差，主要原因：

1实验时没有考虑梁的自重，而计算理论值时会把自重考虑进去；

2.计算的阶段值都是现象发生前一刻的荷载，但是实验给出的却是现象发生后一刻的荷载；

3.破坏荷载与屈服荷载的大小相差很小，1.5倍不能准确的计算破坏荷载；

4.整个计算过程都假设中和轴在受弯截面的中间。

（2）绘出试验梁p-f变形曲线。（计算挠度）

当构件开裂时，

以此类推，在不同的荷载下，可以得到相关的数据：

实验得出的荷载-挠度曲线:

（3）绘制裂缝分布形态图。 （计算裂缝）

（4）简述裂缝的出现、分布和展开的过程与机理。

①当荷载在0.5KN内，梁属于弹性阶段，没有达到屈服更没有受到破坏。

②当荷载在0.5KN的基础上分级加载，受拉区混凝土进入塑性阶段，手拉应变曲线开始呈现较明显的曲线性，并且曲线的切线斜率不断减小，表现为在受压区压应变增大的过程中，合拉力的增长不断减小，而此时受压区混凝土和受拉钢筋仍工作在弹性范围，呈直线增长，于是受压区高度降低，以保证斜截面内力平衡。当内力增大到某一数值时，受拉区边缘的混凝土达到其实际的抗拉强度和极限拉应变，截面处于开裂前的临界状态。

③接着荷载只要增加少许，受拉区混凝土拉应变超过极限抗拉应变，部分薄弱地方的混凝土开始出现裂缝，此时荷载为9.7KN。在开裂截面，内力重新分布，开裂的混凝土一下子把原来承担的绝大部分拉力交给受拉钢筋，是钢筋应力突然增加很多，故裂缝一出现就有一定的宽度。此时受压混凝土也开始表现出一定的塑性，应力图形开始呈现平缓的曲线。此时钢筋的应力应变突然增加很多，曲率急剧增大，受压区高度急剧下降，在挠度-荷载曲线上表现为有一个表示挠度突然增大的转折。内力重新分布完成后，荷载继续增加时，钢筋承担了绝大部分拉应力，应变增量与荷载增量成一定的线性关系，表现为梁的抗弯刚度与开裂一瞬间相比又有所上升，挠度与荷载曲线成一定的线性关系。随着荷载的增加，刚进的应力应变不断增大，直至最后达到屈服前的临界状态。

④钢筋屈服至受压区混凝土达到峰值应力阶段。此阶段初内力只要增加一点儿，钢筋便即屈服。此时荷载为95.6KN。一旦屈服，理论上可看作钢筋应力不再增大（钢筋的应力增量急剧衰减），截面承载力已接近破坏荷载，在梁内钢筋屈服的部位开始形成塑性铰，但混凝土受压区边缘应力还未达到峰值应力。随着荷载的少许增加，裂缝继续向上开展，混凝土受压区高度降低，中和轴上移，内力臂增大，使得承载力会有所增大，但增大非常有限，而由于裂缝的急剧开展和混凝土压应变的迅速增加，梁的抗弯刚度急剧降低，裂缝截面的曲率和梁的挠度迅速增大。

（5）简述配筋率对受弯构件正截面承载力、挠度和裂缝宽度的影响。

配筋率越高，受弯构件正截面承载力越大，最大裂缝宽度值越小，但配筋率的提高对减小挠度的效果不明显。

3.2 超筋破坏：

（1）计算的开裂弯矩、极限弯矩与模拟实验的数值对比，分析原因。

      跨度为 

破坏弯矩、荷载：

通过分析对比，实验数据跟理论数据存在着误差，主要原因：

（1）、构件的平整度，截面尺寸是否准确、混凝土实际保护层的厚度等施工质量会使计算值与实际抗弯承载力产生差异。

（2）、应变片的粘贴位置会产生差异。传感器的精度会产生差异。百分表的位置影响。手持式应变仪的读数影响。

（3）、应变片的温度补偿产生差异。 选用设备的量程不合理。 读数间隔时间相差过大。

（4）、各种人为因素，仪器操作的熟练程度。 实验时仪表出现碰撞。度数出现误差。

没有预加载

（2）绘出试验梁p-f变形曲线。（计算挠度）

注：超筋梁在荷载作用至破坏期间挠度变化极小，难以计算。

（3）绘制裂缝分布形态图。 （计算裂缝）

注：超筋梁在荷载作用至破坏期间有效受拉混凝土截面面积极小，难以计算。

（4）简述裂缝的出现、分布和展开的过程与机理。

(1)在此弹性阶段混凝土的受拉应力应变曲线和受压应力应变曲线都近似直线，因此基本上可看成混凝土在弹性范围内工作。而钢筋此时也工作在弹性范围内，所以整根钢筋混凝土梁可近似看成一份匀质弹性梁。在加载过程中梁的刚度不变，表现为这一阶段的挠度——荷载曲线基本为直线。在受压区混凝土压应变增大过程中，受拉钢筋拉应力呈直线增加，受压区合压力和受拉区合拉力也基本呈直线增加，由平截面假定可知，此时的受压区高度应近似保持不变。

(2)而到受拉区混凝土呈现塑形到开裂阶段初，受拉区混凝土进入塑性阶段，混凝土的受拉应力应变曲线开始呈现较明显的曲线性，并且曲线的切线斜率不断减小，表现为在受压区应变增大过程中，受拉区混凝土合拉力的增长不断减小，而此时受压区混凝土和受拉钢筋仍工作在弹性范围内，呈直线增长，于是受压区高度降低，以保证截面内力平衡（若受压区高度不变或增大，则截面合压力增长大于合拉力增长，内力将会不平衡）。当内力增大到某一数值时，受拉区边缘的混凝土达到其实际的抗拉强度和极限拉应变，截面处于开裂前的临界状态。

(3)开裂至受压区混凝土达到峰值应力阶段，梁体开裂后钢筋的应力应变突然增加很多，曲率急剧增大，受压区高度也急剧下降，在挠度——荷载曲线上表现为有一个表示挠度突然增大的转折。内力重分布完成后，荷载继续增加时，钢筋承担了绝大部分拉应力，应变增量与荷载增量成一定的线性关系，表现为梁的抗弯刚度与开裂一瞬间相比又有所上升，挠度与荷载曲线成一定的线性关系。随着荷载的增加，混凝土的应力应变不断增大，直至受压区边缘应变接近0.002，而钢筋由于配筋率相对比较大，此时并未屈服。

(4)破坏阶段随着荷载的增加，混凝土的受压区边缘应变达到0.002，边缘压应力达到峰值应力。因为混凝土受压应力应变曲线已表现出明显的塑性，而受拉钢筋并未达到屈服强度，拉应力仍随着应变呈线性增长。为了保持截面内力平衡必须增大受压区面积，所以截面中和轴下降，受压区高度增加。因为一直到破坏时钢筋也未屈服，我们可以看到，在超筋梁中，自开裂后截面中和轴位置一直是下降的。最后受压区混凝土达到极限压应变而破坏。

（5）简述配筋率对受弯构件正截面承载力、挠度和裂缝宽度的影响。

配筋率越高，受弯构件正截面承载力越大，最大裂缝宽度值越小，但配筋率的提高对减小挠度的效果不明显。

3.3 少筋破坏：

（1）计算的开裂弯矩、极限弯矩与模拟实验的数值对比，分析原因。

开裂弯矩、荷载：

      跨度为 

破坏弯矩、荷载：

通过分析对比，实验数据跟理论数据存在着误差，主要原因：

1实验时没有考虑梁的自重，而计算理论值时会把自重考虑进去；

2.计算的阶段值都是现象发生前一刻的荷载，但是实验给出的却是现象发生后一刻的荷载；

3.破坏荷载与屈服荷载的大小相差很小，1.5倍不能准确的计算破坏荷载；

4.整个计算过程都假设中和轴在受弯截面的中间。

（2）绘出试验梁p-f变形曲线。（计算挠度）

注：在很小荷载的作用下，少筋梁即破坏，挠度无法计算

（3）绘制裂缝分布形态图。 （计算裂缝）

注：少筋梁在裂缝出现到破坏期间时间极短，裂缝难以计算。

（4）简述裂缝的出现、分布和展开的过程与机理。

（1）在荷载为0.4KN时，梁处于弹性阶段，在此阶段混凝土的受拉应力应变曲线和受压应力应变曲线都近似直线，因此基本上可看成混凝土在弹性范围内工作，而钢筋此时也工作在弹性范围内，所以整根钢筋混凝土梁可近似看成一根匀质弹性梁。在加载过程中梁的刚度不变，表现在这一阶段梁的挠度——荷载曲线基本为直线。在受压区混凝土压应变增大过程中，受拉钢筋拉应力呈直线增加，受压区合压力和受拉区合拉力也基本呈直线增加，由平截面假定可知，此时的受压区高度应似保持不变。

（2）在荷载为7.8KN时，此阶段荷载只要增加少许，受拉区混凝土拉应变超过极限抗拉应变，部分薄弱地方的混凝土开始出现裂缝。在开裂截面，内力重新分布，开裂的混凝土一下子把原来承担的绝大部分拉力交给受拉钢筋，使钢筋应力突然增加很多，故裂缝一出现就有一定的宽度。此时受压区混凝土也开始表现出一定的塑形，应力图形开始呈现平缓的曲线。

（3）又因为配筋率少于最少配筋率，故一旦原来由混凝土承担的拉力由钢筋承担后，钢筋迅速达到屈服。受压区高度会迅速降低，以增大内力臂来提高抗弯能力。在受压区高度降低的同时，荷载也会降低，直到由受压区高度降低所提高的抗弯能力等于降低后的荷载所引起的弯矩时，受压区高度才稳定下来。在挠度——荷载曲线上就表现为荷载有一个突然的下降。然后受压区高度进一步下降。钢筋历尽屈服台阶达到硬化阶段，荷载又有一定上升。此时受压区混凝土仍未被压碎，即梁尚未丧失承载能力。但这时裂缝开展很大，梁严重下垂，也被视为已达破坏

（5）简述配筋率对受弯构件正截面承载力、挠度和裂缝宽度的影响。

配筋率越高，受弯构件正截面承载力越大，最大裂缝宽度值越小，但配筋率的提高对减小挠度的效果不明显。

4．实验结果讨论与实验小结，即实验报告的最后部分，同学们综合所学知识及实验所得结论认真回答思考题并提出自己的见解、讨论存在的问题。

在这一次的钢筋混凝土受弯构件正截面试验中，相对其他的实验来说，难度确实是大了一点，但收获也是很丰富的。在这次实验中，不但进一步加强了对钢筋混凝土正截面受弯承载力的认识，也意识到自己还有很多需要提高的地方。不仅要加强对基础知识的理解，也要牢牢记住很多相关的细节，例如公式中很多的参数，都有各自的规范。需要在计算的时候重点注意。有几次，因为疏忽了参数的相关要求，不得不重新做一遍。程序中钢筋直径要求在10mm到30mm内，因此在配筋时也花了比较多的时间。除此之外，CAD、PS、办公软件的技巧，都值得自己以后常常复习。这样子，在进行相关的操作的时候，可以省下很多时间。还有，一些细小的电脑技巧，也要认真学好。

本次模拟试验所做的三种破坏形态：少筋破坏、适筋破坏及超筋破坏。试验表明适筋破坏属于延性破坏：从钢筋屈服到受压区混凝土压碎的过程中，钢筋要历经较大的塑性变形，随之引起裂缝急剧开展和挠度剧增。而少筋破坏及超筋破坏则属于脆性破坏：在没有明显预兆的情况下由于受压区混凝土被压碎而突然破坏。因此，在工程应用中绝不能出现少筋、超筋的配筋情况。通过本次模拟试验掌握了正截面受弯的三个受力阶段，充分体验了钢筋混凝土受弯的整个过程；同时还掌握了挠度和裂缝的计算，另外还懂得操作制图软件。

在这次的实验中，对挠度的计算、最大裂缝的计算，只有适筋梁才有做。因为，自己去查了一些少筋和超筋的相关文献，都是经验公式，而且很复杂。最后得出来的结果，误差也比较大。

还有，对于挠度系数的确定，考虑到结果与实际的拟合性，决定用0.11，因为拟合性比较好。对于挠度系数的确定，可用公式(3L2-4a2)/24L2

希望在下一次的实验中，能够在实验前做好充分的准备。把不懂的问题收集好，到第二节课的时候可以再问问老师，提高效率，加大自己的动手实践能力。下载本文